Estructura de capas de los principios de selección y apilamiento de capas de PCB

Después de completar el diseño previo de los componentes, se centrará en analizar el cuello de botella del cableado de la PCB.Combinado con otras herramientas EDA para analizar la densidad del cableado de la placa de circuito;y luego una combinación de requisitos de cableado especiales de las líneas de señal, como líneas diferenciales, líneas de señal sensibles, etc., el número y tipo para determinar el número de capas de la capa de señal;y luego, según el tipo de fuente de alimentación, los requisitos de aislamiento y antiinterferencias para determinar el número de capas de la capa eléctrica interna.De esta manera se determina básicamente el número de capas de toda la placa de circuito.

Después de determinar el número de capas de la placa de circuito, el siguiente paso es organizar razonablemente el orden de colocación de las distintas capas del circuito.En este paso, los factores a considerar son principalmente los dos puntos siguientes.

(1) Distribución de capas de señales especiales.

(2) Distribución de energía y capas de tierra.

Si la placa de circuito tiene más capas, cuantas más variedades de combinaciones de capas de señal especiales, capas de tierra y capas de fuente de alimentación estén dispuestas, más difícil será determinar qué combinación es óptima, pero los principios generales son los siguientes.

(1) La capa de señal debe estar adyacente a una capa de energía interna (capa de energía interna/tierra), utilizando la película de cobre grande de la capa de energía interna para proporcionar blindaje a la capa de señal.

(2) Las capas de alimentación interna y de tierra deben estar estrechamente acopladas, es decir, el espesor dieléctrico entre las capas de alimentación interna y de tierra debe adquirir un valor menor para aumentar la capacitancia entre las capas de alimentación y de tierra y aumentar la frecuencia de resonancia.

(3) La capa de transmisión de señal de alta velocidad en el circuito debe ser una capa intermedia de señal y estar intercalada entre las dos capas de energía internas.De esta manera, la película de cobre de las dos capas eléctricas internas puede proporcionar blindaje electromagnético para la transmisión de señales de alta velocidad y también limitar efectivamente la radiación de señales de alta velocidad entre las dos capas eléctricas internas sin causar interferencias al mundo exterior.

(4) Evite dos capas de señal directamente adyacentes entre sí.Es fácil introducir diafonía entre capas de señales adyacentes, lo que puede provocar fallos en el circuito.Agregar un plano de tierra entre dos capas de señal puede evitar eficazmente la diafonía.

(5) Múltiples capas eléctricas internas conectadas a tierra pueden reducir eficazmente la impedancia de tierra.Por ejemplo, el uso de planos de tierra separados para la capa de señal A y la capa de señal B puede reducir efectivamente la interferencia de modo común.

(6) Tenga en cuenta la simetría de la estructura de capas.

Estructuras laminadas de uso común.

El siguiente es un ejemplo de un tablero de 4 capas para ilustrar cómo preferir la disposición y combinación de varias estructuras laminadas.

Para un tablero de 4 capas de uso común, existen los siguientes tipos de apilamiento de capas (desde la capa superior hasta la capa inferior).

(1) Siganl_1 (Superior), GND (Interior_1), ENERGÍA (Interior_2), Siganl_2 (Inferior).

(2) Siganl_1 (Superior), ENERGÍA (Interior_1), GND (Interior_2), Siganl_2 (Inferior).

(3) ALIMENTACIÓN (Superior), Siganl_1 (Interior_1), GND (Interior_2), Siganl_2 (Inferior).

Obviamente, las capas de energía y tierra de la Opción 3 carecen de un acoplamiento efectivo y no deberían adoptarse.

Entonces, ¿cómo se deben seleccionar la Opción 1 y la Opción 2?Normalmente, los diseñadores eligen la Opción 1 como estructura para un tablero de 4 capas.El motivo de esta elección no es que no se pueda utilizar la opción 2, sino que los PCB generalmente solo colocan componentes en la capa superior, por lo que la opción 1 es más apropiada.Sin embargo, cuando es necesario colocar componentes tanto en la capa superior como en la inferior, y el espesor dieléctrico entre las capas internas de alimentación y tierra es grande y el acoplamiento es deficiente, es necesario considerar qué capa tiene menos líneas de señal.Para la Opción 1, la capa inferior tiene menos líneas de señal y se puede usar una gran área de película de cobre para acoplarse con la capa POWER;por el contrario, si los componentes están dispuestos principalmente en la capa inferior, se debe elegir la opción 2 para el tablero.

Si la estructura laminada se muestra en la Figura 11-1, entonces las capas de energía y de tierra se han acoplado, teniendo en cuenta los requisitos de simetría, el uso general del Esquema 1.

Después de completar el análisis de la estructura laminada del tablero de 4 capas, a continuación se muestra un ejemplo de un método de combinación de tablero de 6 capas para ilustrar la disposición y combinación de la estructura laminada del tablero de 6 capas y el método preferido.

(1) Siganl_1 (Superior), GND (Interior_1), Siganl_2 (Interior_2), Siganl_3 (Interior_3), ENERGÍA (Interior_4), Siganl_4 (Inferior).

El esquema 1 adopta 4 capas de señal y 2 capas internas de alimentación/tierra, con más capas de señal, lo que favorece el trabajo de cableado entre componentes, pero los defectos de este esquema también son más obvios, como se muestra en los dos aspectos siguientes.

① Las capas de alimentación y tierra están muy separadas y no están acopladas adecuadamente.

② Las capas de señal Siganl_2 (Inner_2) y Siganl_3 (Inner_3) están directamente adyacentes entre sí, el aislamiento de la señal no es bueno y es fácil que se produzca diafonía.

2) Siganl_1 (Arriba), Siganl_2 (Interior_1), ENERGÍA (Interior_2), GND (Interior_3), Siganl_3 (Interior_4), Siganl_4 (Abajo).

El esquema 2 tiene una ventaja sobre el esquema 1 en que las capas de energía y tierra están adecuadamente acopladas, pero los problemas de que las capas de señal Siganl_1 (superior) y Siganl_2 (interior_1) y Siganl_3 (interior_4) y Siganl_4 (inferior) estén directamente adyacentes entre sí. , con un aislamiento de señal deficiente y la susceptibilidad a la diafonía no se resuelven.

(3) Siganl_1 (Superior), GND (Interior_1), Siganl_2 (Interior_2), ENERGÍA (Interior_3), GND (Interior_4), Siganl_3 (Inferior).

En comparación con el esquema 1 y el esquema 2, el esquema 3 tiene una capa de señal menos y una capa eléctrica interna más.Aunque se reduce el número de capas disponibles para el cableado, el esquema soluciona los defectos comunes al Esquema 1 y al Esquema 2.

① Las capas de alimentación y tierra están estrechamente acopladas.

② Cada capa de señal está directamente adyacente a la capa eléctrica interna y existe un aislamiento efectivo de todas las demás capas de señal, lo que hace que sea menos probable que se produzca diafonía.

③ Siganl_2 (Inner_2) y las dos capas eléctricas internas GND (Inner_1) y POWER (Inner_3) son adyacentes entre sí y pueden usarse para transmitir señales de alta velocidad.Las dos capas eléctricas internas pueden proteger eficazmente la interferencia externa a la capa Siganl_2 (Inner_2) y la Siganl_2 (Inner_2) a la interferencia externa.

Selección del plano de referencia

Cuando la señal de alta velocidad se propaga en la línea de señal, en el proceso de propagación directa de la señal, debido a la existencia de acoplamiento capacitivo entre los planos de referencia, cuando ocurre dV/dt, habrá un fenómeno de que la corriente fluya hacia la referencia. plano a través del capacitor de acoplamiento, y la posición debajo de la línea de transmisión tendrá una corriente transitoria que fluye de regreso al circuito fuente.

Cuando la capa de suministro de energía se utiliza como plano de referencia, la corriente de retorno de la señal primero fluirá a la capa de suministro de energía, luego fluirá a la red de tierra a través del Cpg entre la fuente de alimentación y la red de tierra, y finalmente fluirá al circuito fuente. a través de la capa de tierra, formando finalmente un circuito completo de suministro de energía.Es muy crítico controlar la impedancia del bucle de señales de alta velocidad porque afecta directamente las características de transmisión de la señal.

Teóricamente, al igual que con los planos de tierra, las capas de señales de potencia se pueden aplicar a rutas de retorno de señales de baja impedancia.Suponiendo una cantidad suficiente de capacitancia de derivación, la transmisión del plano de potencia será tan buena como la tierra, y funcionará una línea de transmisión de cinta de plano de potencia y plano de tierra o dos planos de potencia.Sin embargo, cuando la señal está referenciada al plano de potencia, uno de los caminos de retorno que tiene mayor impacto en la señal es el canal capacitivo entre las redes de potencia y tierra del Cpg.Puede ser una distribución compleja de capacitancia de desacoplamiento en la red de tierra de la fuente de alimentación, o también puede contener una capacitancia plana entre los planos de la capa de tierra de la fuente de alimentación, debido a la complejidad de la composición de las características de impedancia son diferentes en cada punto de frecuencia. es difícil de cuantificar y controlar, por lo que es difícil establecer este supuesto.

Incluso si la capa de energía está más cerca de la capa de señal, la señal de retorno se devolverá a la capa de tierra a través de la capa de energía, porque la entrada de señal se basa en la capa de tierra como capa de referencia.Pero si el desacoplamiento no se realiza bien, la impedancia entre las capas de alimentación y de tierra será grande, y entonces la señal de retorno estará sujeta a una gran impedancia.

La capa de potencia de referencia de la señal aportará la calidad de la señal, la impedancia entre la capa de tierra de la fuente de alimentación es el principal factor de influencia, cuanto mayor sea la frecuencia de la señal, más obvia será la influencia.**Por supuesto, no todas las señales pueden referenciarse a la fuente de alimentación, específicamente cuántas frecuencias, qué señales pueden referenciarse a la fuente de alimentación, dependiendo del diseño real de la PCB y la situación real de la red PDN, es mejor utilizar software de simulación para analizar y verificar.

Algunos diseños de señales especifican el requisito de hacer referencia a su propia capa de suministro de energía, ¿a qué se debe esto?

Esto se debe a que las señales internas del chip están referenciadas a la fuente de alimentación, por lo que es mejor hacer referencia a la fuente de alimentación en la PCB.Pero la mayoría de los chips en el diseño de señales de alta velocidad están referenciados a tierra, por lo que en la mayoría de las pautas de diseño de señales de alta velocidad se recomienda hacer referencia a tierra, aunque en la banda de alta frecuencia los condensadores de desacoplamiento de potencia muestran características de baja impedancia. , potencia y rendimiento de tierra para equipotencial, pero debido a los condensadores de desacoplamiento con la ubicación de la ubicación del problema puede aumentar el área de retorno de la señal, afectando así la calidad de la señal, por lo que para la mayoría de las señales de alta velocidad, referencia a la estatus de mejor.